Esercizio - identità di Wald, somma dei lanci di un dado fino al primo sei
Testo. Si usa un dado equo.
- Si lancia il dado una prima volta per ottenere (uniforme in ), poi si lanciano dadi e si somma: valore atteso della somma ?
- Si lancia il dado finché non esce (incluso) e si somma ogni esito: valore atteso della somma ? Verificare con un ragionamento diretto.
- Si somma invece solo ciò che precede il primo (il escluso): . L'identità di Wald con darebbe . Il valore corretto è diverso: calcolarlo e spiegare perché Wald non si applica.
- Verificare con una simulazione.
Soluzione
Wald. Se è indipendente da per ogni e gli hanno media , allora (dimostrazione: ).
1. indipendente. I dadi sommati sono indipendenti da : e . Quindi .
2. Tempo d'arresto. è il numero di lanci fino al primo : geometrica di parametro , . L'evento = "i primi lanci non sono " dipende solo da , quindi è indipendente da . Wald si applica: .
Verifica diretta. Prima del i lanci sono , in media , e ciascuno è uniforme in (condizionato a non essere ) di media ; poi c'è il finale. . Coincide con Wald.
3. Il escluso. Da segue (linearità). Wald non vale perché = "i primi lanci non sono " dipende da : sapere che l'evento è accaduto dice che , e . Se si applica il metodo corretto: . Il è sbagliato perché moltiplica per la media anziché .
4. Simulazione.
import random
T = 200000
a = sum(sum(random.randint(1, 6) for _ in range(random.randint(1, 6))) for _ in range(T)) / T
tot2 = tot3 = 0
for _ in range(T):
s = 0
while True:
x = random.randint(1, 6); s += x
if x == 6: break
tot2 += s; tot3 += s - 6
print(a, tot2 / T, tot3 / T) # circa 12.25, 21, 15Risultato. in (1), in (2), in (3); Wald vale nei primi due casi e non nel terzo.
Verifica Python: simulazioni , , (valori esatti ).
Versione ripasso
- Wald: se è indipendente da () (Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici →).
- (1) uniforme in , indipendente: .
- (2) geometrica di parametro (Distribuzione geometricaGeo(p) è il numero della prova in cui arriva il primo successo in prove indipendenti: P(X = n) = (1−p)^(n−1) p per n ≥ 1, P(X > n) = (1−p)^n (lunga attesa), media 1/p, varianza (1−p)/p², ed è senza memoria.Distribuzione geometrica →), , tempo d'arresto: ; diretto: .
- (3) Senza il finale: . Wald con è sbagliato: dipende da (implica , media e non ); corretto .
- Verifica: simulazioni , , .
- Errore tipico: applicare Wald quando la regola di arresto guarda l'-esimo termine stesso.